不規則平板預制體機器人輔助縫合路徑規劃

陳小明，魏玉瑩，張一帆，李 皎，陳 利

（1.天津工業大學紡織科學與工程學院，天津 300387；2.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；3.天津工業大學機械工程學院，天津 300387）

縫合織物增強復合材料具有優異的層間性能，在航空航天、國家防御和軌道交通等領域得到廣泛的應用[1]。國內外研究人員對縫合技術開展了較為廣泛的研究。文立偉等[2]、郭勇等[3]和Verma等[4]研究了縫合復合材料層合板的層間斷裂韌性，結果表明：復合材料的Ⅰ型和Ⅱ型層間斷裂韌性通過縫合技術得到了顯著的提高；Xuan等[5]提出了一種基于中空毛細管的縫合線無損傷的縫合方法。單面縫合裝備技術近幾年得到了快速的發展，姬靈超[6-7]研制了一種碳/碳復合材料三維預制體單邊縫合裝置；Gnaba等[8]和Bortoluzzi等[9]分別設計了不同構型的簇絨頭，實現了高性能纖維織物的縫合成型；德國KSL公司研制了簇絨機器人[10-11]，用于復雜自由曲面預制體的縫合；封橋橋等[12]研究了復合材料預制體單邊彎針縫合裝備；董九志等[13]對預制體縫合針的穩定性進行了分析；田會方等[14]設計了復合材料單面雙線縫合技術；張勁松等[15]研究了自動縫合關節機器人的本體結構；Choi等[16-18]發明了1-fiber新型縫合技術。此外，王靜[19]、武永盛等[20-21]、何俊杰等[22]和李金鐘等[23]基于機器視覺實現了預制體縫合接縫的提取和路徑規劃。然而，大尺寸不規則平板預制體的縫合點數量多，且縫合路徑復雜，現有的縫合路徑規劃方法難以滿足高效、可靠的軌跡規劃要求。

本文提出一種適用于大尺寸不規則平板預制體的機器人輔助縫合路徑規劃方法。首先研究離散點位置設計和坐標批量輸出方法，進一步構建離散點自動排序和縫合點篩選CAD模塊，以及機器人可執行程序自動生成CAM模塊；最后，通過實驗驗證機器人輔助縫合路徑規劃方法的可行性。該方法可應用國家重點領域重大工程中大尺寸不規則構件預制體的縫合成型，將具有廣闊的應用前景。

1 機器人輔助縫合路徑規劃

1．1 路徑規劃系統組成

機器人輔助縫合路徑規劃系統主要包括離散點位置設計和批量輸出模塊、基于Python的離散點自動排序和縫合點篩選CAD模塊以及機器人可執行程序自動生成CAM模塊，如圖1所示。

圖1 機器人輔助縫合路徑規劃系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of robot-assisted stitching path planning system

1．2 離散點位置設計和批量輸出方法

依據縫合密度或縫合點間距S，基于AutoCAD將軌跡線等間距離散，離散間距為d，其中10d≤S，并通過“數據提取”命令實現點位置的批量輸出，如圖2所示，輸出格式選擇Excel文件格式。

圖2 離散點位置設計和批量輸出示意圖Fig.2 Schematic diagram of stitching points design and batch output

1.3 離散點自動排序和縫合點篩選模塊構建

AutoCAD輸出的離散點處于無序的狀態，需要進一步對離散點進行排序，以滿足縫合先后順序的要求。定義初始點P0，按照最短距離算法，搜索最近點P1，P1再繼續搜索尋找最近點P2，以此類推將所有的離散點（P0-Pn）按順序排列出來，兩點間距離公式如式（1）：

進一步，根據縫合間距S要求從這些離散點中按順序選擇輸出目標縫合點An的坐標值，其原理圖如圖3所示。

圖3 離散點自動排序和縫合點篩選原理圖Fig.3 Schematic of automatic sorting of discrete points and screening of stitched points

通過Python語言構建離散點自動排序和縫合點篩選CAD模塊，算法流程圖如圖4所示。

圖4 離散點自動排序和縫合點篩選CAD模塊運行流程圖Fig.4 Operation flow chart of CAD module for automatic sorting of discrete points and screening of stitched points

具體流程如下：

（1）定義初始點P0，讀取輸出點“OutputPoints.xlsx”，其中“OutputPoints.xlsx”為1.2節AutoCAD的輸出文件；

（2）根據公式（1）計算P0與其他點的距離，求得最近點P1；

（3）重新以P1為初始點，在剩余的點中搜索得到最近點P2，以此循環搜索，遍歷所有離散點，最后搜索得到最終離散點Pn，并生成已排序“lisanPointsPaixu.xlsx”文件；

（4）最后，按照S=N×d，隔幾個點篩選出一個縫合點，輸出篩選縫合點“fenghePoints.xlsx”文件。開發的離散點自動排序和縫合點篩選的Python主要代碼如下：

1.4 機器人可執行程序自動生成CAM模塊構建

本文的縫合機器人為川崎RS030N機器人，根據其可執行程序的程序格式，包括運動指令和位姿數據，基于Python語言構建機器人可執行程序自動生成CAM模塊，其運行流程圖如圖5所示。

圖5 CAM模塊運行流程圖Fig.5 Operation flow chart of CAMmodule

具體流程為：

（1）運行“CAM模塊.py”；

（2）程序自動打開“fenghe.txt”，寫入機器人的直線運動指令“LMOVE”，包括所有縫合點；

（3）打開“fengheweizi.txt”，Python操作EXCEL，讀取篩選縫合點“fenghePoints.xlsx”數據和機器人工作姿態OAT信息，寫入所有縫合點的位姿信息Pn（X，Y，Z，O，A，T），其中機器人工作姿態信息可以通過示教器直接讀取獲得。

開發的機器人可執行程序自動生成CAM模塊的Python主要代碼如下：

2 實驗驗證

本部分通過機翼翼面縫合實驗進行機器人輔助縫合路徑規劃方法的可行性驗證，如圖6所示。

翼面具有大尺寸不規則特征，如圖6（a）所示，縫合點間距設計為5 mm×5 mm，共計5 083個縫合位置點。S=5 mm，d=0.5 mm，基于本文1.2節的離散點輸出方法輸出所有離散點位置坐標，運行圖4所示的離散點自動排序和縫合點篩選CAD模塊.py，生成篩選縫合點“fenghePoints.xlsx”，如圖6（b）所示；進一步運行“CAM模塊.py”，生成機器人運動指令和位姿文件，如圖6（c）和6（d）所示，將機器人運動指令和位姿文件合并為一個文檔，并存儲成.pg格式，即是機器人可執行程序；最后，開展翼面縫合實體機驗證，基于Xuan等[2]提出的縫合線無損傷縫合工藝，如圖7所示。

圖6 CAD/CAM模塊驗證Fig.6 Verification of CAD/CAMmodule

圖7（a）中，首先植入中空毛細管，然后再穿過縫合線，有效減少縫合線與織物的摩擦，進而減小縫合線的損傷；機器人輔助中空毛細管的植入，如圖7（b）所示，機器人運行上述方法生成的可執行程序，輔助完成翼面縫合，如圖7（c）所示。實驗研究結果表明：本文構建的CAD/CAM模塊成功實現縫合點的自動排序和機器人可執行程序的自動生成，并實現機翼翼面的縫合。本文提出的大尺寸不規則平板預制體的機器人輔助縫合路徑規劃方法是可行的，路徑規劃方法是高效、可靠的。本文的路徑規劃方法具有通用性，適用于復雜形狀的軌跡線，可拓展至大尺寸不規則平板預制體的三維針刺、I纖維縫合和簇絨成型的路徑規劃。

圖7 翼面縫合實體機驗證Fig.7 Experimental verification of wing surface stitching

3 結論

（1）本文提出一種大尺寸不規則平板預制體的機器人輔助縫合路徑規劃方法，構建了軌跡規劃CAD/CAM模塊，并通過實驗驗證了方法的可行性。研究結果表明：本文構建的CAD/CAM模塊成功實現離散點設計和坐標批量輸出、離散點坐標自動排序和縫合點篩選，以及機器人可執行程序的生成，并實現機翼翼面的縫合。本文提出的大尺寸不規則平板預制體的機器人輔助縫合路徑規劃方法是可行的。

（2）本文提出的路徑規劃方法具有通用性，直線、曲線或者直線曲線混合的縫合軌跡均能適用，可拓展至大尺寸不規則平板預制體的機器人三維針刺、機器人1-fiber縫合和機器人簇絨成型的路徑規劃。